无题

1 概述

三类常见网络：电信网络、有线电视网络、计算机网络。

互联网的两个重要基本特点：连通性和共享。

1.2 互联网概述

1.2.1 网络的网络

计算机网络(网络)由若干节点和连接这些节点的链路组成。

• 两台计算机连接也是计算机网络

多个网络通过路由相互连接起来，构成了互联网，互联网是“网络的网络”。

与网络相连的计算机称为主机。

1.3互联网的组成

1.边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的。

2.核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

1.3.1 互联网的边缘部分

网络边缘的端系统之间的通信方式可以划为两大类：客户-服务器方式(C/S方式)和对等方式(P2P方式)

1.客户-服务器方式（客户/服务器方式）

• 客户(client)和服务器(server)都是指通信中涉及的两个应用进程。

• 客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

• 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

• 数据集中在服务器中。

2.对等连接方式

• P2P并不区分请求方和提供方

• 本质上还是客户-服务器方式

• 每一台主机既是客户又是服务器

QQ是P2P和C/S的结合：在线P2P，离线C/S

1.3.2 互联网的核心部分

网络核心部分起特殊作用的是路由器，路由器是实现分组交换的关键构建，其任务是转发收到的分组。

1.电路交换的主要特点

• 在通话的全部时间内，通话的两个客户始终占用端到端的通信资源
• 线路的传输效率低
• 整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送

2.分组交换的主要特点

• 采用存储转发方式，把报文划分为几个分组后再进行传送
• 路由器是分组交换的工具，用于转发分组。
• 单个分组传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一节点

3.报文交换

• 报文交换也属于存储转发方式
• 整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

1.5 计算机网络的类别

1.5.2 几种不同类别的计算机网络

1. 按照网络的作用范围进行分类

• 广域网WAN(wide)。广域网的作用范围为几十到几千公里。

• 城域网MAN。城域网的作用范围一般是一个城市，作用距离约为5~50km。

• 局域网LAN(local)。局域网在地理上局限在较小的范围如1km左右。

• 个人区域网PAN(personal)。作用范围很小，大概在10m左右。

• 人体区域网BAN(body)。作用范围仅限于人体。

2.按照网络的使用者进行分类

• 公用网。所有愿意按电信公司规定缴纳费用的人都可以使用的网络。

• 专用网。为满足某单位的特殊业务工作需要而建造的网络，不向单位之外的人提供服务。

3.用来把用户接入到互联网的网络

接入网。接入网只是起到让用户与互联网连接的桥梁作用。

1.6计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标

• 速率：数据的传送速率。
• 带宽：带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的最高数据率。
• 吞吐量：吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的实际数据量。
• 时延：时延指的是数据从网络的一端传送到另一端所需要的时间。包括发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。发送时延也叫传输时延，是指主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间；传播时延是指电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间；处理时延是指主机或路由器在收到分组时花费时间进行处理所需要的时间；排队时延是指分组经过路由器需要先在输入队列中排队等待处理所花费的时间。数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和。
• 时延带宽积：传播时延和带宽相乘就是时延带宽积，代表从发送端发出但尚未到达接收端的比特数。
• 往返时间RTT：主机双向交互一次所需要的时间。
• 利用率：利用率分为信道利用率和网络利用率两种。信道利用率指某信道有百分之几的时间是被利用的；网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

1.7 计算机网络体系结构

1.7.2 协议与划分层次

协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

协议由三要素组成：

• 语法，即数据与控制信息的结构或格式。
• 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种相应。
• 同步，即事件实现顺序的详细说明。

分层的好处？

相互通信的计算机系统必须高度协调工作，这种协调是相当复杂的，“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。分层具有减小问题复杂程度、灵活性好、结构上可分割开、易于实现和维护、能促进标准化工作的优点。

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。

1.7.3 具有五层协议的体系结构

五层协议从下到上分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。

• 应用层通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。提供各种网络应用服务，使用户防变进行网络通信和交互。
• 运输层负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。起到兜底保证运输的作用。
• 网络层将数据报封装成分组和包进行传送。在每个路由器上生成转发分组的转发表以及在路由器接收到分组时依据转发表中的路径把分组转发到下一个路由器。
• 数据链路层将网络层交下来的IP数据包组装成帧，并将接收到的帧提取出数据部分交给网络层。数据链路层需要检查收到的帧中是否有差错，并且需要进行纠错。
• 物理层要考虑用多大的电压代表0和1，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特，还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应如何连接。

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

实体：实体表示任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。

协议：协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

服务：在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

协议和服务的区别？

协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，是水平的。服务是下层通过层间接口向上层提供的功能，是垂直的；在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

1.7.5 TCP/IP的体系结构

• TCP/IP体系结构有四层，包括：链路层、网际层、运输层、应用层。
• 路由器没有应用层和运输层，路由器既解封装又加封装。
• 网际层的可以为各式应用提供服务，用于各种网络上去。

2 物理层

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异。即不论用什么接口都能通信。

用于物理层的协议也常称为物理层规程。

物理层的主要任务是与传输接口有关的一些特性：

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部采用并行运输的方式：多个比特同时传输。

数据在通信线路(传输媒体)上使用串行运输的方式：即逐个比特按照时间顺序传输。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。又称为：信源、通信媒体、信宿。

在上图中：调制认为是把数字信号转换为模拟信号的过程，而解调是把模拟信号转换为数字信号的过程。

老师课堂解释的调制：把信号转化为适合在信道上传输的信号。

一些常用术语及解释：

术语	解释
数据	运送消息的实体
信号	数据的电气的或电磁的表现
模拟信号	代表消息的参数的取值是连续的
数字信号	代表消息的参数的取值是离散的
码元	在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

概念	解释
信道	一般用来表示向某一个方向传递信息的媒体
单向信道（单工信道）	只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
双向交替通信（半双工通信）	通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）
双向同时通信（全双工通信）	通信的双方可以同时发送和接收信息

基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号（数字信号）都属于基带信号。

调制分为两大类：

• 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特征相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码。把数字信号转换为另一种形式的数字信号。
• 带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输。

带通信号：经过载波调制后的信号。

常用的编码方式：

编码方法	表示方法
不归零制	正电平代表1，负电平代表0
归零制	正脉冲代表1，负脉冲代表0
⭐曼彻斯特编码	高—>低代表1，低—>高代表0。但也可以反过来定义
差分曼彻斯特编码	前一位后半和后一位前半不同表示0。前一位后半和后一位前半相同表示1

基本的带通调制方法：

方法	含义
调幅(AM)/幅移键控(ASK)	载波的振幅随基带数字信号而变化
调频(FM)/频移键控(FSK)	载波的频率随基带数字信号而变化
调相(PM)/相移键控(PSK)	载波的初始相位随基带数字信号而变化

2.2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

• 信道能够通过的频率范围—>带宽
• 信噪比

（1）信道能够通过的频率范围

所谓带宽就是指能通过的频率范围。单位是Hz

奈氏准则：

• 假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
• 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W (码元/秒=波特)
• W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)。信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率传送码元而不出现码元串扰。

比特率和波特率的关系：

• 比特率是指单位时间内所传输的二进制代码的有效位数，单位是比特/秒(bps)。
• 波特率是指每秒传送的波形的个数，单位是波特(baud)。
• 比特率和波特率之间的换算关系如下：比特率 = 波特率 *log2N，其中N为码元所表示的有效状态数。

（2）信噪比

• 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。即：S/N(dB) = 10log10(S/N)（dB），这里要注意，信噪比的意思是S/N，但是用分贝作度量单位的时候要把信噪比用公式10log10(S/N)（dB）得到。

• 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率C（香农公式）可表达为：C = W log2(1+S/N) (bit/s)。其中W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明：

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
• 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道
  不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也
  就没有上限。
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它并不属于物理层

传输媒体分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

• 导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
• 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输称为无线传输。

2.3.1 导引型传输媒体

双绞线

• 最常用的传输媒体
• 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，通信距离一般为几到十几公里。
• 屏蔽双绞线STP，带金属屏蔽层。
• 无屏蔽双绞线UTP
• 导线相互缠绕可以降低电磁干扰

同轴电缆

• 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
• 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。

光纤

• 多模光纤：纤芯直径较大，可同时传输多条光线；使用发光二极管作为光源。

• 单模光纤：纤芯直径较小，一次仅能传输一条光线；使用激光作为光源。

与单模光纤相比，多模光纤传输速率低，距离短（2km），整体的传输性能差，成本较低；一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境，主要用于局域网。单模光纤通常用作楼间的连接或广域网连接。

光纤优点：

(1) 通信容量非常大。

(2) 传输损耗小，中继距离长。

(2) 抗雷电和电磁干扰性能好。

(3) 无串音干扰，保密性好。

(4) 体积小，重量轻。

2.3.2 非导引型传输媒体

• 将自由空间称为“非导引型传输媒体”

短波通信

短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使短波信道的通信质量较差，传输速率低。

微波通信

微波在空间主要是直线传播。

传统微波通信有两种方式：

• 地面微波中继通信

• 卫星通信

⭐2.4 信道复用技术

包括频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用、码分复用

复用允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

多个码片代表一个比特。

频分复用FDM

• 将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
• 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

时分复用TDM

• 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM
  帧中占用固定序号的时隙。
• 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就
  是 TDM 帧的长度）。
• TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
• 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复用STDM

STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

• 在每个时隙中需要有用户的地址信息。
• 集中器能正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。

波分复用WDM

码分复用CDMA

• 码分复用是一种共享信道的方法。当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA。
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
• 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

码片序列

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片。每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。

将码片中的0记为-1，将码片中的1记为+1

CDMA的重要特点

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 (orthogonal)。

两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T
的规格化内积 (inner product) 等于 0，注意要求平均。

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1

一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1

当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1；当S站发送比特0时，内积的结果是-1。

所有站收到的都是叠加的信号。

当接收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积。S·Sx就是S站发送的数据比特,因为在计算规格化内积时,或者都是+1,或者都是-1

2.5 数字传输系统

与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。

目前，长途干线大都采用时分复用的脉码调制PCM 的数字传输方式。

脉码调制一般包括三个过程：采样、量化和编码。

旧的数字传输系统存在许多缺点：

• 速率标准不统一
• 不是同步传输

同步光纤网 SONET

• 对电信信号称为第 1 级同步传送信号 STS-1
• 对光信号则称为第 1 级光载波 OC-1

同步数字系列 SDH

一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。

其主要不同点是：SDH 的第 1 级同步传递模块，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

SONET / SDH 标准的意义

第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。

2.6 宽带接入技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：

• 有线宽带接入
• 无线宽带接入

非对称数字用户线ADSL

• 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。

• 上行和下行带宽做成不对称的 ，其下行速率远大于上行速率。

• 采用非对称传输的原因：在网络应用中，用户的下载数据量要远大于上传的数据量。

• ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL

DMT技术

DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz
以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而
249 个子信道用于下行信道。

第二代ADSL

• 通过提高调制效率得到了更高的数据率
• 采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)，
  可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。

光纤同轴混合网（HFC网）

• FC (Hybrid Fiber Coax) 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。
• HFC 网具有双向传输功能，扩展了传输频带。

第三章 数据链路层

数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

3.1 数据链路层的主要功能

• 链路管理
• 帧定界
• 流量控制
• 差错控制
• 将数据和控制信息区分开
• 透明传输
• 寻址

3.1.2 三个基本问题

数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是：

• 封装成帧
• 透明传输
• 差错控制

差错检测

• 帧尾加设冗余码，这不是多余的。
• 用二进制的模 2 运算进行 2的n次方乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。直接加n个0就好

在数据后面添加的冗余码被称为帧检验序列

用多项式表示除数P：即把X上的系数拿出来作为进制。

进行CRC检测只能判断有没有差错，而不能判断是哪个比特出现了差错，它只能做到无差错接受，而不能保证可靠传输：即发送什么输出什么，因为可靠传输是保证帧不重复、丢包等，这需要传输层来实现可靠传输。

数据链路层使用的信道

• 点对点信道使用的协议相对简单，这种信道使用一对一的通信方式。
• 广播信道，在一个广播里面，发送一条信息所有主机都能收到，由于共同主机使用这个信道，如果多台主机同时发送数据会产生冲突，所以过程复杂。

3.2 点对点协议PPP

点对点协议PPP(Point-to-Point
Protocol)。

3.2.1 PPP 协议的特点

1. PPP协议应满足的需求

• 简单 —— 这是首要的要求。
• 封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。
• 透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。
• 多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议，可以支持TCP/IP，也可以OSI。
• 多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。
• 差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。

2. PPP协议不需要的功能

• 纠错：不提供使用序号和确认的可靠传输

PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理；在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP
数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的；帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

• 流量控制
• 序号
• 多点线路
• 半双工或单工链路

3. PPP协议的组成（简单了解）

PPP的两个不同子层：

• NCP （网络控制协议）：一组协议，每一个协议支持不同的网络层协议
• LCP （链路控制协议）

PPP会话的建立：

1、链路建立
2、验证阶段（可选）
3、网络层协议连接

PPP协议的工作状态：

3.2.2 PPP协议的帧格式

解决透明传输问题的两种方案：

• 字符填充：

定义一种特殊的转义字符，出现7D的定界符转成特殊字符。

• 零比特填充：

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1 局域网的数据链路层

局域网的最主要特点：

范围比较小，数目有限；网络为一个单位所拥有；

局域网具有如下主要优点：

• 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。

局域网的拓扑结构：

把局域网的数据链路层拆成两个子层：

• 逻辑链路控制LLC子层：与传输媒体无关的内容放在这里，一般不考虑LLC子层

• 媒体接入控制MAC子层：与传输媒体有关的内容放在这里

适配器的作用

网络接口板又称为通信适配器 (adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。

适配器重要功能：

• 进行串行/并行转换。
• 对数据进行缓存。
• 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
• 实现以太网协议。(以太网网卡)

以太网采用两种重要措施：

• 采用较为灵活的无连接的工作方式：不必先建立连接就可以直接发送数据；对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 这提供的是不可靠的交付，差错的纠正由高层来决定
• 以太网的数据使用曼彻斯特编码

媒体共享技术

静态划分信道：

• 频分复用；
• 时分复用；
• 波分复用；
• 码分复用。

信号提前划分给用户

静态分配的缺陷：

• 资源分配不合理，不满足用户对资源占用的不同需求；
• 有资源浪费，效率低；
• 信道N等分，延迟时间增大N倍

静态分配的应用：

• 适于用户数量少且用户数目固定的情况
  ；
• 适于通信量大且流量稳定的情况；
• 不适用于突发性业务的情况

使用动态媒体接入控制（多点接入）：

• 随机接入：站点争用信道，可能出现站点之间的冲突。谁争赢了给谁用，效率高

• 受控接入：站点被分配占用信道，无冲突。

不能够两个以上用户同时发送数据，信道是开放的，没有预分配，大大提高信道的利用率。

3.3.2 CSMA/CD 协议

CSMA/CD 含义：载波监听多点接入 / 碰撞检测

“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测
一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，
则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也
称为“冲突检测”。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费
网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送

为什么进行碰撞检测？

由于电磁波在总线上的传播速率是有限的，当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。